O estudo e a compreensão da termodinâmica é extremamente importante para todos os processos que envolvam equilíbrio de fases. A determinação das propriedades termodinâmicas de uma mistura pode ser obtida por diferentes formas de cálculo, que podem consumir um grande tempo computacional e apresentar difícil solução. Para casos que envolvam controle e simulações online, otimizações em tempo real e até simuladores de treinamento de operadores (OTS) isso pode ser um fator decisivo no emprego da aplicação. Esta dissertação propõe uma nova formulação denominada de Método dos Modelos Termodinâmico Simplificado (MTS) em lugar da utilização dos modelos termodinâmicos locais (MTL), os quais são destinados à redução do tempo computacional de simulações de processos, através da aproximação de modelos rigorosos e da simplificação das rotinas de cálculos termodinâmicos de equilíbrio líquido-vapor. O MTS proposto neste trabalho é constituído por parâmetros que são estimados utilizando dados calculados de forma rigorosa e que permitem a sua utilização em uma região significativamente mais ampla. Inicialmente, avaliaram-se alguns MTLs empregados na literatura e a partir destes foi proposto um novo modelo com adição de um parâmetro capaz de melhorar a dependência da temperatura de ponto de bolha. Para se determinar os parâmetros do MTS, foi formulado um problema de otimização em que a função objetivo envolve os erros nos ajustes das constantes de equilíbrio e o erro na predição da temperatura de ponto de bolha da mistura, tendo como restrição de igualdade o somatório da composição da fase vapor. Nessa nova abordagem todos os parâmetros são obtidos simultaneamente. Em trabalhos anteriores, os parâmetros eram determinados através da resolução de um problema de mínimos quadrados formulados para cada constante de equilíbrio separadamente. As propriedades termodinâmicas obtidas com essa nova metodologia foram comparadas às propriedades obtidas com modelos rigorosos, apresentando boa correlação e solução simples. O novo MTS e a metodologia proposta foram também validados para uma mistura de cinco componentes. Finalmente o modelo obtido para a mistura acetona, benzeno e etanol foi implementado em uma simulação dinâmica de uma coluna de destilação. Os resultados obtidos foram muito satisfatórios, reduzindo o tempo de resolução do problema em aproximadamente 50 vezes quando comparado ao tempo necessário para resolver o mesmo problema utilizando o modelo rigoroso. / Thermodynamics is very important for all processes involving phase equilibrium. The determination of the thermodynamic properties of a mixture can be obtained by different ways of calculation, which can spend a large computational time and present difficult solution. For cases involving online control and simulations, real-time optimizations and operator training simulators (OTS) this point can be a decisive factor in the use of application. A new concept is proposed for the use of local thermodynamic models (LTM), which are aimed at reducing the computational time of processes simulations, through the approximation of rigorous models and simplifying thermodynamic routines of phase equilibrium calculations, to be used in a new approach, as a simplified thermodynamic models (STM) with global application. The STM presented consists of parameters that are estimated using data rigorous calculated. First of all, some LTM presented in the literature were evaluated and it was proposed a new model with the addition of one parameter that provides better adjustment to the bubble point temperature. This new model was called STM. After define an STM for a ternary mixture, we a new methodology to obtain the model parameters was proposed. In previous papers, the parameters were determined by solving a least squares problem, it is necessary to obtain separately the parameters of each component model. The new methodology is based on an optimization problem that minimizes the error between the K-value obtained by rigorous model and the K-value predicted by STM, adjusting the parameters of all components simultaneously in the same calculation and estimating the bubble point temperature of mixture. The thermodynamic properties obtained with this new method were compared to the properties obtained with rigorous models, presenting good correlation and simple solution. The new STM and the proposed methodology were also validated for a mixture of five components. Finally the model obtained for the mixture was implemented in a dynamic simulation of a distillation column, in which it was obtained very satisfactory results, reducing the time to resolution of the problem in about 50 times when compared to the time required to solve the same problem using the rigorous model.

Olefins have enjoyed many uses in a wide variety of industries, from car manufacturing to energy production. Energy consuming processes of catalytic dehydrogenation, turning paraffins into olefins, has been commercialised since the early 20th century, while catalytic oxydehydrogenation of paraffins to olefins is still in prototype stages. The conflict between kinetic and thermodynamic yield constraints, has delayed the commercialisation of this process. The solution to achieving the relevant process route is exploitation of the right catalyst at moderate temperatures and pressures. Co5MgAlO is studied under atmospheric pressure and 350°C temperature, to dehydrogenate propane and butane to olefins using oxygen as a reactant. Thermodynamic models showing how many reaction routes are possible under atmospheric pressure were explored. Experimental results for butane to air at ratio of 1:0.8 and 1:1.2 hydrocarbons to air gave better selectivity of 1-butene which was more than 12%. When compared with propane at similar reaction ratios the reaction favoured CO2 at selectivity of more than 95%. / Civil and Chemical Engineering / M.Tech. (Chemical Engineering)

En soudage en phase solide, si la température peut avoir un rôle favorable, une sollicitation mécanique est également nécessaire pour s’affranchir de la couche d’oxyde recouvrant naturellement l’aluminium. Dans ce travail, on a ainsi cherché à comprendre l’importance de la sollicitation mécanique vis-à-vis de la création des jonctions métalliques. Dans ce but, 2 essais de soudabilité à froid ont été mis en place. L’essai de compression plane (CP) a pour but d’augmenter la surface à l’interface de soudage, de sorte à morceler la couche d’oxyde. Grâce à la microscopie, à une analyse par EF et à un modèle tensoriel de caractérisation de l’évolution des surfaces, les essais ont montré que, plus que l’importante déformation globale, le soudage se produit dans les zones de cisaillement maximum.Par conséquent, le second essai repose sur le cisaillement de l’interface de soudage : un tube sectionné est soumis à un effort de compression et de torsion alternée. Comme pour l’essai de CP, l’influence de divers paramètres a été étudiée. Parmi ceux-ci, l’état de surface (rugosités et propreté), l’angle de torsion (faible amplitude) et le nombre de cycles ont un rôle prépondérant. Les assemblages soudés ont ensuite été caractérisés mécaniquement et observés en microscopie (MEB-FEG, EBSD). Par rapport à l’essai de CP, on a pu constater une meilleure quantité et qualité des jonctions en compression-torsion alternée. De plus, un modèle thermodynamique a permis de conclure que les énergies mises en jeu sont trop faibles pour permettre un échauffement significatif : le soudage, sur environ 50% de l’interface en l’état actuel des choses, n’est réalisé que par des effets mécaniques locaux. / In solid-state welding, if the temperature generally has an important role (diffusion, recrystallization, etc.), a mechanical load is also necessary to override the oxide layer which naturally covers aluminium alloys. This work aims to understand the influence of the mechanical load on the formation of metallic bonds. To this end two cold weldability tests have been introduced. Firstly the plane strain channel-die compression of two cuboids sample aims to increase the surface at the welding interface in order to break up the oxide layer. Thanks to microscopy, a FEA model and a tensorial model of surfaces evolution, those results showed that, more than the important global deformation, welds were created in areas with maximum shear. Subsequently the second test aims to shear the welding interface: a tube is cut through its section and undergoes both a compression and a cyclic torsion load. As for our first weldability test, the influence of some parameters has been studied. Among them, the surface condition (roughness and cleanliness), the torsion angle (low amplitude) and the number of cycles are the most influential. Then the welded joints have been mechanically tested and microscopically observed (FEG-SEM and EBSD). In comparison with our first test, a higher quality and quantity of the joining has been showed. Moreover, a thermodynamic model concludes that the energies involved in this experimental process are too low to imply any local heating: the joining, on 50% of the welding interface as things stand, is only achieved thanks local mechanical effects.

A esterificação do sec-butanol com ácido acético, submetida à catálise homogênea, apresenta poucos resultados experimentais de cinética reacional e equilíbrio químico disponíveis na literatura. A presente dissertação visa determinar os parâmetros cinéticos e de equilíbrio químico desta reação de esterificação, empregando modelo cinético de 2ª ordem baseado em atividades. Os experimentos cinéticos foram realizados em reator batelada com auxílio da metodologia Karl Fischer para análise do teor de água e determinação do perfil de frações molares ao longo da reação. A principal dificuldade na modelagem desta esterificação consistiu em representar satisfatoriamente as não-idealidades da mistura em fase líquida, em espacial nas reações cuja fração molar inicial de ácido acético foi superior a 50%. Netas condições admitiu-se a ocorrência de dissociação do ácido acético levando ao surgimento de interações iônicas. O modelo empregado para obtenção das atividades, com base em frações molares, foi o NRTL. Este modelo representou bem as interações moleculares em condição de baixa acidez, mas apresentou desvios em condições de acidez e teores de água mais elevados. O estudo também visou o desenvolvimento de modelos de calibração para um método analítico on-line visando determinar o perfil de frações molares ao longo da reação. O método empregado foi a espectroscopia de infravermelho próximo (NIR), em vista à capacidade deste método analítico em determinar quantitativamente frações molares de água, além dos demais compostos envolvidos. Outro fator determinante ao emprego do NIR é a seu crescente uso no meio industrial, e o presente trabalho visou também contribuir para o uso futuro desta técnica de monitoramento no processo industrial. Modelos de calibração multivariável com conjuntos de calibração interna por validação cruzada se mostraram adequados ao sistema estudado. Calibrações externas resultaram em modelos imprecisos, não sendo possível determinar claramente os fatores responsáveis pela imprecisão. / There is a lack of literature data on the reaction kinetics and equilibrium of the homogeneously catalyzed esterification of sec-butanol with acetic acid. This work aims at obtaining the kinetic parameters and chemical equilibrium parameters of this esterification reaction by using a second order kinetic model based on activities. The kinetic experiments were performed in a batch reactor and the Karl Fischer analytical method was used to determine the molar fraction of water along the reaction progress. The main challenge of modeling this reaction was to represent the highly non-ideal mixture in liquid phase, specially for reactions runs starting with acetic acid mole fraction higher than 50%. In these conditions, it was assumed the occurrence of acetic acid dissociation that leads to ionic interactions. The thermodynamic model used to calculate the activities was the NRTL. This model predicted well the molecular interactions on low acidity conditions but presented deviations when molar fractions of acid and water were higher. The present study also aims to develop calibration models for analytical on-line method to obtain molar fraction profiles along the reaction. Near infrared spectroscopy (NIR) was used due to the possibility of quantitatively analyze water mole fraction, besides the mole fractions of the other components. Another important reason to choose NIR was its crescent use in industry, and the present work intended to contribute towards the future use of this on line monitoring technique in industrial applications. Multivariate calibration models using internal set of calibration and cross-validation seems to be suitable for this system. External set of calibration leads to less accurate models, and the causes of this lack of accuracy were not clearly identified.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho objetiva a construção de estruturas robustas e computacionalmente eficientes para a solução do problema de deposição de parafinas do ponto de vista do equilíbrio sólido-líquido. São avaliados diversos modelos termodinâmicos para a fase líquida: equação de estado de Peng-Robinson e os modelos de coeficiente de atividade de Solução Ideal, Wilson, UNIQUAC e UNIFAC. A fase sólida é caracterizada pelo modelo Multisólido. A previsão de formação de fase sólida é inicialmente prevista por um teste de estabilidade termodinâmica. Posteriormente, o sistema de equações não lineares que caracteriza o equilíbrio termodinâmico e as equações de balanço material é resolvido por três abordagens numéricas: método de Newton multivariável, método de Broyden e método Newton-Armijo. Diversos experimentos numéricos foram conduzidos de modo a avaliar os tempos de computação e a robustez frente a diversos cenários de estimativas iniciais dos métodos numéricos para os diferentes modelos e diferentes misturas. Os resultados indicam para a possibilidade de construção de arcabouços computacionais eficientes e robustos, que podem ser empregados acoplados a simuladores de escoamento em dutos, por exemplo. / The objective of this work is to develop robust and computationally efficient frameworks devoted to the solution of the problem of paraffin deposition, from the point of view of the solid-liquid equilibrium. In this scenario, several thermodynamic models will be evaluated to the description of the behavior of the liquid phase: the Peng-Robinson cubic equation of state and the activity coefficient models of Ideal Solution, Wilson, UNIQUAC and UNIFAC. The solid phase is characterized by the Multisolid model. The formation of the solid phase is initially predicted by a thermodynamic stability test. Subsequently, the nonlinear algebraic system that describes the thermodynamic equilibrium and the material balance equations is solved by three numerical approaches: the multivariable Newton method, the Broyden method and the Newton-Armijo method. Several numerical experiments were conducted in order to evaluate computation times and robustness facing several scenarios of initial estimates of the numerical methods for various models and mixtures. The results indicate the possibility of construction of efficient and robust computational frameworks which can be used coupled with fluid flow simulators, for instance.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho objetiva a construção de estruturas robustas e computacionalmente eficientes para a solução do problema de deposição de parafinas do ponto de vista do equilíbrio sólido-líquido. São avaliados diversos modelos termodinâmicos para a fase líquida: equação de estado de Peng-Robinson e os modelos de coeficiente de atividade de Solução Ideal, Wilson, UNIQUAC e UNIFAC. A fase sólida é caracterizada pelo modelo Multisólido. A previsão de formação de fase sólida é inicialmente prevista por um teste de estabilidade termodinâmica. Posteriormente, o sistema de equações não lineares que caracteriza o equilíbrio termodinâmico e as equações de balanço material é resolvido por três abordagens numéricas: método de Newton multivariável, método de Broyden e método Newton-Armijo. Diversos experimentos numéricos foram conduzidos de modo a avaliar os tempos de computação e a robustez frente a diversos cenários de estimativas iniciais dos métodos numéricos para os diferentes modelos e diferentes misturas. Os resultados indicam para a possibilidade de construção de arcabouços computacionais eficientes e robustos, que podem ser empregados acoplados a simuladores de escoamento em dutos, por exemplo. / The objective of this work is to develop robust and computationally efficient frameworks devoted to the solution of the problem of paraffin deposition, from the point of view of the solid-liquid equilibrium. In this scenario, several thermodynamic models will be evaluated to the description of the behavior of the liquid phase: the Peng-Robinson cubic equation of state and the activity coefficient models of Ideal Solution, Wilson, UNIQUAC and UNIFAC. The solid phase is characterized by the Multisolid model. The formation of the solid phase is initially predicted by a thermodynamic stability test. Subsequently, the nonlinear algebraic system that describes the thermodynamic equilibrium and the material balance equations is solved by three numerical approaches: the multivariable Newton method, the Broyden method and the Newton-Armijo method. Several numerical experiments were conducted in order to evaluate computation times and robustness facing several scenarios of initial estimates of the numerical methods for various models and mixtures. The results indicate the possibility of construction of efficient and robust computational frameworks which can be used coupled with fluid flow simulators, for instance.

A esterificação do sec-butanol com ácido acético, submetida à catálise homogênea, apresenta poucos resultados experimentais de cinética reacional e equilíbrio químico disponíveis na literatura. A presente dissertação visa determinar os parâmetros cinéticos e de equilíbrio químico desta reação de esterificação, empregando modelo cinético de 2ª ordem baseado em atividades. Os experimentos cinéticos foram realizados em reator batelada com auxílio da metodologia Karl Fischer para análise do teor de água e determinação do perfil de frações molares ao longo da reação. A principal dificuldade na modelagem desta esterificação consistiu em representar satisfatoriamente as não-idealidades da mistura em fase líquida, em espacial nas reações cuja fração molar inicial de ácido acético foi superior a 50%. Netas condições admitiu-se a ocorrência de dissociação do ácido acético levando ao surgimento de interações iônicas. O modelo empregado para obtenção das atividades, com base em frações molares, foi o NRTL. Este modelo representou bem as interações moleculares em condição de baixa acidez, mas apresentou desvios em condições de acidez e teores de água mais elevados. O estudo também visou o desenvolvimento de modelos de calibração para um método analítico on-line visando determinar o perfil de frações molares ao longo da reação. O método empregado foi a espectroscopia de infravermelho próximo (NIR), em vista à capacidade deste método analítico em determinar quantitativamente frações molares de água, além dos demais compostos envolvidos. Outro fator determinante ao emprego do NIR é a seu crescente uso no meio industrial, e o presente trabalho visou também contribuir para o uso futuro desta técnica de monitoramento no processo industrial. Modelos de calibração multivariável com conjuntos de calibração interna por validação cruzada se mostraram adequados ao sistema estudado. Calibrações externas resultaram em modelos imprecisos, não sendo possível determinar claramente os fatores responsáveis pela imprecisão. / There is a lack of literature data on the reaction kinetics and equilibrium of the homogeneously catalyzed esterification of sec-butanol with acetic acid. This work aims at obtaining the kinetic parameters and chemical equilibrium parameters of this esterification reaction by using a second order kinetic model based on activities. The kinetic experiments were performed in a batch reactor and the Karl Fischer analytical method was used to determine the molar fraction of water along the reaction progress. The main challenge of modeling this reaction was to represent the highly non-ideal mixture in liquid phase, specially for reactions runs starting with acetic acid mole fraction higher than 50%. In these conditions, it was assumed the occurrence of acetic acid dissociation that leads to ionic interactions. The thermodynamic model used to calculate the activities was the NRTL. This model predicted well the molecular interactions on low acidity conditions but presented deviations when molar fractions of acid and water were higher. The present study also aims to develop calibration models for analytical on-line method to obtain molar fraction profiles along the reaction. Near infrared spectroscopy (NIR) was used due to the possibility of quantitatively analyze water mole fraction, besides the mole fractions of the other components. Another important reason to choose NIR was its crescent use in industry, and the present work intended to contribute towards the future use of this on line monitoring technique in industrial applications. Multivariate calibration models using internal set of calibration and cross-validation seems to be suitable for this system. External set of calibration leads to less accurate models, and the causes of this lack of accuracy were not clearly identified.

Ce travail porte sur la contribution à la modélisation thermodynamique d'un atelier de purification d'acide acrylique. Après l'identification des principaux produits intervenant dans l'étape de purification et la collecte de leurs propriétés thermodynamiques disponibles dans la littérature, nous avons effectué une série de mesures expérimentales pour un ensemble de mélanges contenant des acides carboxyliques (en particulier : diagrammes d'équilibres liquide-liquide et équilibres liquide-vapeur, enthalpies d'excès et volumes d'excès). L'ensemble des données (nos mesures et les valeurs de la littérature) a été exploité selon deux approches de modélisation des équilibres liquide-vapeur : une approche symétrique (φ-φ) appliquée aux équations d'état de Peng-Robinson (P-R) et de PC-SAFT et une approche dissymétrique (γ-φ) appliquée aux modèles de coefficients d'activité en phase liquide NRTL, UNIQUAC et Van Laar associés à diverses équations d'état en phase vapeur (gaz parfait, Viriel, Hayden et O'Connell et Nothnagel). Nous avons finalement retenu le modèle UNIQUAC associé à la corrélation de Hayden et O'Connell en phase vapeur. Des nouveaux paramètres d'interaction ont été déterminés et conduisent à des résultats homogènes et satisfaisants en comparaison avec nos mesures expérimentales et aux données de la littérature. Ils permettent également de décrire convenablement les diagrammes d'équilibres liquide-vapeur et les volatilités relatives des mélanges étudiés / This work focuses on the contribution in the thermodynamic modeling of an acrylic acid purification unit. After identifying the main products involved in the purification step and collecting their thermodynamic properties available in the literature, we conducted a series of experimental measurements for a range of mixtures containing carboxylic acids(mainly liquid-liquid equilibrium and vapor-liquid equilibrium diagrams, excess enthalpies and excess volumes).The data set-our measurements and literature values-was used according to two approaches for modeling vapor-liquid equilibrium: a symmetric approach(φ-φ) applied to the equations of state Peng-Robinson (P-R) and PC-SAFT and an asymmetrical approach (γ-φ) applied to the models of activity coefficients in the liquid phase NRTL, UNIQUAC and Van Laar associated with various equations of state in the vapor phase(ideal gas, Viriel, Hayden O'Connell and Nothnagel). We have finally chosen the UNIQUAC thermodynamic model associated with the correlation of Hayden O'Connell in vapor phase. New binary parameters were determined and led to consistent and satisfactory results in comparison with our experimental measurements and literature data. These parameters can also be used to adequately describe the diagrams of vapor-liquid equilibrium and the relative volatilities of the mixtures studied